Разрешение. Мифы и реальность. MTF и её измерение.

 Рассмотрев в общих чертах объективы и матрицы, пора коснуться одной довольно популярной величины, на которую они напрямую влияют - разрешения. Ни один сравнительный обзор не обходится без её обсуждения, в форумах ломаются копья - у чьей камеры оно больше? Попытаемся разобраться, что это такое - разрешение, и заслуживает ли оно таких почестей. Наши разборки будут напоминать матрёшку - вот, кажется, дошли до сути, а она вновь раскрывает внутри себя другую, и так много раз...

Внешняя матрёшка. Вновь мегапиксели.

Как и в случае с размером матриц, большинство простой публики (на этот раз конечно не 90, а 60-70% примерно) свято верят, что разрешение измеряется в Мегапикселах. Т.е. 5-мпиксельная камера заведомо детальнее 4-мегапиксельной и так далее. Для многих конкретных камер и конкретных условий это даже верно. Но далеко не для всех. Вспомним определение разрешения (для начала грубое) - это количество мелких деталей которое способен передать снимок. Таким образом, если объектив, скажем, 8-мегапиксельной камеры намазать вазелином, то количество мелких деталей на снимке явно будет меньше чем даже у 3-мегапиксельной камеры. В реальной жизни роль вазелина играют уже упоминавшиеся аберрации, а также переотражения внутри объектива. Как же учесть это всё одним числом?. Чтобы не спорить о том какие объекты снимать и какие детали считать, договорились снимать чёрно-белые полоски. Сколько полосок без смазывания влезет в кадр (обычно по короткой стороне) - таково и разрешение (обычно в цифровой фотографии, в отличие от старых ГОСТов, одну чёрную линию считают за две - типа чёрная+белая, типичные значения получаются от 1000 до 1600 линий на высоту кадра). Казалось бы, всё строго - делаем миру (образец с разной частотой полосок), снимаем, считаем полоски и всё. Даже в журналах часто эти цифры публикуют в сравнительных тестах... но, оказывается, что не всё так просто.

Но прежде чем раскрыть вторую матрёшку, оглянемся на первую. Всё-таки - важны мегапиксели или нет? Или дело только в объективе? Ответ прост - мегапиксели всего лишь необходимое, но не достаточное условие. Чтобы разрешить 1000 линий, кадр должен иметь примерно 1500 пикселей в высоту. Этот коэффициент около 1,5 связан с тем, что вероятность точного попадания линии миры на линию пикселей близка к нулю. Линии всегда попадают между, в большей или меньшей степени. Вот из статистического усреднения и берётся этот факт, что для отображения каждых двух линий нужно три ряда пикселей. Таким образом, зная размер кадра можно прикинуть максимально возможное разрешение, которое достигалось бы при идеальном объективе:

Во избежание недоразумений, отмечу, что вышеприведённые цифры относятся к статистически правильной методике измерений любого параметра - когда эксперимент повторяют несколько раз и усредняют результаты. Разумеется, можно в пропагандистских целях подогнать расположение миры и получить (и даже опубликовать!) кадр с разрешением до полутора раз большим (или просто выбрать из всех экспериментов лучший). Но к реальной жизни и реальным снимкам эти нечистоплотные методы не имеют отношения.

Вторая матрёшка. Линии на высоту.

На пути подсчёта линий нас подстерегают две опасности. Первая - формальная. Почему-то общепринято считать вертикальное и горизонтальное разрешения. Однако из-за структуры матрицы (расположения пикселей) оказывается, что диагональное примерно в 1,4 раза больше. Этим поспешила воспользоваться одна известная фирма, которая просто повернула матрицу на 45 градусов и назвала модным словом Супер ЦЦД. С 3 миллионов сенсоров электроника камеры интерполировала 6-мпиксельную картинку. Скептики тут же принялись мерить разрешение своими мирами и с удивлением обнаруживали что таки-да, дед Мороз существует - матрица на уровне 5-6мегапиксельных обычных. Но никто не догадался повернуть миру под 45 градусов - тогда всё станет на свои места - разрешение обычных увеличится, а супер - снизится, и хвалёные 6 мегапикселей будут на уровне полутора обычных. А поскольку в реальной жизни редко встречаются ровные параллельные линии, то в среднем разрешение как было на уровне 3-амегапиксельных, так и осталось, что блестяще подтверждается тем фактом, что многие владельцы волшебных камер, поиграв с интерполированным разрешением, вернулись на стандартное 3Мп для экономии места на флеш-карте, т.к. не заметили явных улучшений.

Вторая опасность - принципиальная и связана с размытостью понятия линии различимы. На словах всё выглядит достаточно гладко и понятно. В реальности выясняется, что

• различимость линий не дискретна (различимы - неразличимы), а непрерывна - (различимы хорошо, не очень, плохо, очень плохо и т.п.). На самом деле просто плавно падает контраст с единицы до нуля. Поэтому разные наблюдатели видят переход от плохо различимы к практически не различимы в РАЗНЫХ местах. Этот эффект не зависит от фотосистемы и наблюдается и в плёночной фотографии.
• в цифровой фотографии кроме этого из-за структуры матрицы добавляются цветные разводы, муар и даже греческий орнамент, что ещё более усложняет процесс визуального тестирования.

На иллюстрации приведён типичный (не самый сложный) пример. В зависимости от строгости наблюдателя колебания разрешения легко достигают 20-40%. В результате ценность цифр, приводимых в обзорах, становится сомнительной. Как мы видели из предыдущей таблицы, максимальные цифры для 3Мп и 5Мп отличаются всего лишь на 30%, поэтому 20-40% - это катастрофически много.

Лирическое отступление.

Похожая ситуация складывается с другими паспортными параметрами бытовой техники - например мощностью и частотным диапазоном недорогих аудиосистем. Мощность можно измерять при разных значениях искажений, а нижнюю границу частотного диапазона - при разном падении АЧХ, чем изготовители активно пользуются. В результате мы часто видим пластиковые компьютерные колонки за 50уе с диапазоном от 40Гц и качественные HiFi колонки за 600 уе с диапазоном от 45Гц. Угадайте, у кого из них басы глубже на самом деле?

Аналогия с акустикой не случайна. Действительно, если принять звуковое давление на средних частотах за единицу (нормировка АЧХ), то с понижением частоты оно будет плавно падать до нуля и обычно нижней границей называют ту частоту, при которой давление равно либо 0,5, либо 0,25, либо 0,1 (в зависимости от методики, соответственно и результаты - разные). При этом сама АЧХ(Амплитудно-Частотная Характеристика) достаточно объективна и даёт гораздо бОльшее представление чем сухая цифра границы. Нельзя ли и в оптике вместо границы разрешения снять плавную кривую падения контраста при росте частоты штрихов? Именно эта кривая и получила название Modular Transfer Function (MTF) - функция передачи модуляции. Более подробно (на английском) можно почитать здесь, а кратко я изложу ниже. Итак, если вместо классических штрихов с прямоугольным графиком яркости использовать синусоидальные, а функцию контраста от частоты определить как (Iw-Ib)/(Iw+Ib), где Iw и Ib - яркости изображений самой белой и самой тёмной точки на данной частоте линий, то MTF(частоты)=КОНТРАСТ(частоты)/КОНТРАСТ(низкой частоты). Таким образом, на низкой частоте MTF равна единице, а с ростом плавно падает до нуля (когда изображения линий сливаются, контраст становится нулевым). Классически определяемое разрешение соответствует частоте, при которой MTF становится равной примерно 0,1.

Как и АЧХ в акустике, MTF способна дать гораздо больше информации. Так, два объектива, имеющие одинаковое разрешение (скажем, 1600lph) могут иметь разные графики MTF - у одного график опускается сразу от 50lph вниз, плавно достигая 0,1 при 1600 lph, а у другого держится возле 0,95 до последнего, и лишь начиная с 1200lph круто падает вниз. При частоте 800-1000lph у первого будет MTF 0,25, а у второго - 0,95. В результате снимки первого будут заметно более вялыми (мыльными). Тем не менее формальное разрешение у них действительно одинаково.

Ну уж теперь-то, кажется, всё строго. Измеряем MTF, публикуем сравнение графиков и строим аппараты по ранжиру... Но не будем торопиться. Всё опять не так просто.

Третья матрёшка. MTF.
Измерения и влияние шарпенинга.

Измерить MTF можно даже в домашних условиях. Для этого потребуется всего лишь струйный принтер (720dpi и выше), несколько листов фирменной струйной бумаги, а также несколько небольших бесплатных программ, скачанных из Сети. Как это всё сделать, подробно описано у меня в статье Измеряем MTF самостоятельно . В частности, я снимал графики для нескольких объективов к Canon D60. Результаты для угла кадра представлены ниже (линии на высоту кадра можно получить умножением цифр на оси Х примерно на 30, график просто в привычных плёночных координатах):

Подробное обсуждение этих графиков есть по упомянутой ссылке, нас же здесь интересует сравнение красных и зелёных линий. Красные принадлежат профессиональному объективу 16-35mm/2.8L стоимостью под полторы тысячи долларов. Зелёные - наидешевейшему, наибюджетнейшему пластмассовому 28-80mm/3,5-5,6 за 100 долларов. Если сравнивать тонкие линии - всё логично и L-ка оставляет бюджетник далеко позади. Но взгляните на толстый зелёный пунктир! Он отличается от остальных всего лишь другими (+1деление) установками шарпенинга на камере (на самом деле - в RAW-конверторе, но это одно и то же) и очень умеренным шарпенингом в Фотошопе (ещё грубо говоря 1 деление). Но в результате он полностью догнал L-ку! (Понятно, что если применить шарп к L-ке она вновь всех сделает, но речь сейчас о другом!)

Мы подошли к ключевому моменту. Поставьте себя на место производителя фотокамеры. У Вас есть два пути увеличения разрешения - сделать замечательный резкий объектив уровня L-оптики (+500-1000долларов к цене камеры в зависимости от размера матрицы) или просто перешить в её процессоре уровень шарпенинга на одно-два деления в большую сторону (бесплатно!!!). Как Вы думаете, что выбирают реальные производители? Разумеется шарпенинг! В результате увеличиваются шумы и понижается реальная чувствительность (если её определять как значение при фиксированном уровне шума). Но это никого не волнует, потому что уровень шума измерять толком не научились, в обзорах он фигурирует редко, а вот высокое разрешение (вместе с мегапикселями и зумом) - сильный маркетинговый козырь. Косвенное подтверждение тому - наличие ISO400 и даже иногда ISO800(!) в камерах с матрицами 1/2,5! Что мы имеем ещё плохого от встроенного шарпенинга, кроме увеличения шумов? Мы имеем, образно говоря, потолок детализации. Т.е. дальнейший шарпенинг в Фотошопе больше не приводит к её увеличению без сопутствующих артефактов и искажений, несовместимых с жизнью, в отличие от камер без встроенного шарпа. Там с помощью Фотошопа иногда можно вполне догнать разрешение до накачанных лидеров (разумеется ценой того же шума, но у нас по крайней мере есть выбор!).

Последняя матрёшка. Крах разрешения.

Итак, мы пришли к интересному выводу. Измерять MTF (и, как частный случай, - разрешение) можно, но не имеет смысла до тех пор, пока мы не сможем нормировать встроенный шарпенинг. В случае если камеры имеют формат RAW и построены на одинаковых матрицах это сделать просто - выставлением одинаковых параметров конвертора. Но таких случаев очень немного. Во всех же остальных случаях нормирование НЕВОЗМОЖНО. У большинства камер имеется три градации (низкий-норма-высокий), но низкий одной может соответствовать высокому другой, поэтому установка всех испытуемых в норму проблему не решает. Если матрицы одного размера и производителя, можно косвенно судить о шарпе по уровню шумов. Но и тут разная начинка камер и разные фирменные шумоподавители иногда могут портить картину. Если же шарпинг не нормировать, то всегда даже объективно слабая, но пошарпленная камера будет выигрывать в тестах у объективно сильной, но не шарпленной (как в приведённом графике заведомо слабый 28-80 практически выиграл у ВДЕСЯТЕРО более дорогого 16-35L).

  Совершенно ясно, что с заменой строгой решётки MTF на реальные кадры проблема разного шарпа никуда не уйдёт и скачивания различных тестовых снимков не помогут, особенно учитывая лёгкость их подделки. Легко можно экспортировать штамп фотоаппарата(EXIF) из оригинала в обработанный в фотошопе снимок и выдать его за оригинал. Кроме того, вне обсуждения осталось то, что на разных положениях зума и в разных частях кадра разрешение даже одного и того же объектива существенно разное, и как (и с какими весовыми коэффициентами) его усреднять - тоже вопрос открытый.

  Так что же делать? Как сравнивать разрешения?
А плюньте! Не надо их сравнивать! Не в них счастье! Как уже было сказано при обсуждении ГРИП, средний глаз на фото 13*18 различает лишь 1/1500 диагонали, что для фото 15*20 даёт примерно 1000lph(линий на высоту). Таким образом разница между 1200 и 1400 lph в 95% любительских случаев абсолютно несущественна. Гораздо более важны, например, хроматические аберрации, которые на гиперзумах просто глазом видно...

ЗАМЕЧАНИЕ1: разумеется вышеприведённый совет относится лишь к изделиям известных оптических фирм нормальной и высокой ценовой категории (от 3 мегапикселей), если же Вы нацелились на некую супердешёвую веб-камеру или мыльницу никому не известной марки хрен-тек за десять-двадцать долларов, разрешение проверить абсолютно необходимо. Пластмассовый дверной глазок может давать что угодно :-)
ЗАМЕЧАНИЕ2: понятно что высокое разрешение при прочих равных всегда лучше низкого (заблюрить в Фотошопе никогда не поздно), и я не хочу сказать, что оно ВООБЩЕ неважно. Просто на данном историческом этапе и у большинства конкретных доступных на рынке камер оно стоит далеко не на первом месте в качестве критерия выбора.

О триединстве шума, чувствительности и разрешения

 Как мы уже видели выше, от алгоритмов шарпенинга и шумоподавления, встроенных в камеру, зависит пропорция между шумом, чувствительностью и разрешением. Т.е. улучшая одно, мы ухудшаем другое. Как и в большинстве других случаев, нельзя однозначно сказать - что суммарно лучше и что хуже - это зависит от задач и вкусов (кто-то не выносит мыла, а кто-то шума). Важно просто понимать это единство и взаимообусловленность. Иногда при сравнении близких по классу камер можно слышать заявления типа камера А больше мылит, зато меньше шумит, чем камера Б. В таких случаях всегда хочется предложить вместо настроек по умолчанию снизить уровень шарпа у камеры Б и повысить - у камеры А. Не исключено что результаты либо сравняются, либо даже поменяются местами.
Вообще я, к большому сожалению, не видел ещё НИ ОДНОГО грамотного обзора, где всерьёз изучались встроенные установки и предпринималась хоть какая-то попытка выставить их сопоставимо. Обычно отдельно снимают шум от чувствительности, затем отдельно - сравнивают разрешение при одном и том же ISO и диафрагме. И всё это при настройках по умолчанию!

О том, что стандартов на шумы до сих пор толком не выработано, свидетельствует, например, тот факт, что на одном очень уважаемом и серьёзном сетевом фоторесурсе (dpreview.com) они (стандарты) недавно поменялись - т.е. значения для одной и той же камеры в разных парных тестах сильно отличаются. (Например, уровень яркостного шума 2 достигается тут 10D при ISO100, а тут D60 при ISO450. Хотя в реальности по шумам это практически идентичные камеры (10D даже чуть улучшена))